[논문 리뷰] H2O line mapping at high spatial and spectral resolution - Herschel observations of the VLA1623 outflow

P. Bjerkeli, René Liseau외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 03.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 44인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 스펙트럼 및 공간 해상도로 VLA1623 기수에서 H2O 방출을 맵핑하며, Herschel의 HIFI 및 PACS 기구를 사용하여 T > 200 K인 기체에서의 물 방출을 규명한다. 확장된 기수에서 물의 부존비는 X(H2O) < 1 × 10⁻⁶으로 나타나 충격 모델 예측보다 유의미하게 낮지만, 국소적으로는 HH 313 A 기울기 충격 영역에서 10⁻⁵로 상승한다.

ABSTRACT

Apart from being an important coolant, H2O is known to be a tracer of high-velocity molecular gas. Recent models predict relatively high abundances behind interstellar shockwaves. The dynamical and physical conditions of the H2O emitting gas, however, are not fully understood yet. We aim to determine the abundance and distribution of H2O, its kinematics and the physical conditions of the gas responsible for the H2O emission. The observed line profile shapes help us understand the dynamics in molecular outflows. We mapped the VLA1623 outflow, in the ground-state transitions of o-H2O, with the HIFI and PACS instruments. We also present observations of higher energy transitions of o-H2O and p-H2O obtained with HIFI and PACS towards selected outflow positions. From comparison with non-LTE radiative transfer calculations, we estimate the physical parameters of the water emitting regions. The observed water emission line profiles vary over the mapped area. Spectral features and components, tracing gas in different excitation conditions, allow us to constrain the density and temperature of the gas. The H2O emission originates in a region where temperatures are comparable to that of the warm H2 gas (T\gtrsim200K). Thus, the H2O emission traces a gas component significantly warmer than the gas responsible for the low-J CO emission. The H2O column densities at the CO peak positions are low, i.e. N(H2O) \simeq (0.03-10)x10e14 cm-2. The H2O abundance with respect to H2 in the extended outflow is estimated at X(H2O)&lt;1x10e-6, significantly lower than what would be expected from most recent shock models. The H2O emission traces a gas component moving at relatively high velocity compared to the low-J CO emitting gas. However, other dynamical quantities such as the momentum rate, energy and mechanical luminosity are estimated to be the same, independent of the molecular tracer used, CO or H2O.

연구 동기 및 목표

• VLA1623 기수에서 물 방출 기체의 공간 분포, 운동학, 물리 조건을 규명하기 위해.
• 물 부존비를 H2와 비교하여 최근 충격 모델 예측과 평가하기 위해.
• H2O 방출이 저진동수 CO와 다른 기체 성분을 추적하는지, 특히 온도 및 속도 측면에서 조사하기 위해.
• 모멘텀 비율, 에너지, 기계적 발광도를 추정하여 H2O 방출 기체가 기수에서 수행하는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• Herschel의 HIFI 및 PACS 기구를 사용하여 기저 상태 오르토-H2O 전이(110–101 및 212–101)의 고해상도 공간 및 스펙트럼 맵핑.
• 기수 내 특정 위치에서 고에너지 오르토- 및 파라-H2O 전이(예: 211–202, 312–303, 303–212, 313–202)의 추가 선 스캐닝 관측.
• LVG(Large Velocity Gradient) 근사법을 사용한 비-LTE 복사전달 모델링을 통해 관측된 선형형태에서 H2O 기둥 밀도, 기체 온도, 밀도를 유도하기 위해.
• 관측된 선형형태를 합성 모델과 비교하여 흥분 조건를 제약하고, 운동온도 및 H2 밀도와 같은 물리적 매개변수를 추론하기 위해.
• H2O 및 CO 선 데이터로부터 동역학적 양(모멘텀 비율, 에너지, 기계적 발광도)을 추정하여 다양한 추적자 간 일관성을 평가하기 위해.
• Spitzer H2 데이터 및 형태학적 제약 조건을 활용하여 HH 313 A 영역에서 뜨거운 기체 존재를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 스펙트럼 및 공간 해상도에서 VLA1623 기수에서 H2O 방출의 공간 분포 및 운동학적 구조는 어떻게 되는가?
• RQ2 H2O 방출 기체의 물리 조건(온도, 밀도, 기둥 밀도)은 저진동수 CO 방출 기체와 비교하여 어떠한가?
• RQ3 기수에서의 H2O 부존비는 최근 충격 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 H2O 방출은 CO와 다른 동역학적 성분을 추적하는가? 특히 속도 및 흥분 측면에서.
• RQ5 기수의 기계적 성질(모멘텀 비율, 에너지, 발광도)은 CO 및 H2O와 같은 다양한 분자 추적자 간에 일관성 있는가?

주요 결과

• H2O 방출은 운동온도가 200 K 이상인 기체에서 기인하며, 저진동수 CO 방출 기체보다 더 뜨거운 성분임을 나타낸다.
• CO 피크 위치에서 H2O 기둥 밀도는 낮으며, (0.03–10) × 10¹⁴ cm⁻² 범위로 확장된 기수에서의 낮은 부존비와 일치한다.
• 확장된 기수에서 H2O 부존비는 X(H2O) < 1 × 10⁻⁶로 추정되며, 최근 충격 모델 예측보다 유의미하게 낮다.
• 국소적으로는 HH 313 A 기울기 충격 영역(공간 스케일 ~5′′)에서 H2O 부존비가 X(H2O) ≈ 1 × 10⁻⁵로 증가하여 국소적 증가를 나타낸다.
• 모멘텀 비율, 에너지, 기계적 발광도가 CO 및 H2O 추적자 간에 일관되며, 이는 추진력이 사용된 분자 추적자에 따라 변하지 않는다는 것을 시사한다.
• 남동부 기수에서의 선형형태는 상당한 횡방향 기체 운동을 시사하며, 시야선에 대한 기울기 각도는 75° 미만일 가능성이 높다.